干货一文讲透超声相控阵探头（值得收藏）

　　PART 01 超声相控阵探头的历史
　　早在1959年，TOM B和HUGHES注册了一项超声波环形动态聚焦探头的专利，后来该技术被称为超声相控阵检测技术。
　　20世纪60年代，相控阵的研究主要局限于实验室；60年代末70年代初，医学物理学者将该技术用于医学人体超声成像中。由于当时压电复合材料、微电子技术和计算机技术等的限制，该技术没有在工业领域中得到广泛应用。2000年后，随着压电复合材料、纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等多种技术在超声相控阵成像领域中的综合应用，超声相控阵检测技术得以迅速发展，并逐步应用于工业无损检测领域。
　　PART 02 不同阵列排布方式的相控阵探头
　　相控阵按阵列形式通常可分为线形、矩阵形、环形和扇形。相控阵探头有多种不同的阵列排布形式，其类型按阵元排列方式可分为：一维线阵、二维矩阵、环形阵、扇形阵、凹面阵、凸面阵、双线型阵等。不同的阵列排布方式将会产生不同的声场特性，使相控阵能应用于不同工况下的检测。
　　不同阵列排布方式的超声相控阵换能器模型
　　1. 一维线阵：
　　是目前相控阵探头中应用最多的一种形式，其特点是能在相控阵的轴平面实现声束偏转和轴向聚焦。
　　与一维线阵相比，环形阵的优势是能在声束剖面实现二维聚焦(一维线阵只能实现一个方向上的声束聚焦)，声束剖面呈圆形，能获得较大的能量集中，并且不要求大数目的阵列，因此其能在采用高频检测时仍保证较高的穿透力；但环形阵的缺点是不能进行声束偏转控制，因此主要应用于医学成像和脉冲多普勒体积流量计中。
　　2. 扇形阵和二维矩阵：
　　扇形阵和二维矩阵都可实现所有方向的声束偏转和轴向聚焦，扇形阵多用于棒材检测，二维矩阵由于加工工艺限制、电路复杂及制作成本高等原因，仍主要应用于医学领域，工业领域应用较少，但其声束不仅能实现沿晶片排列方向的扫查，还可以纵向摆动扫查，因此其具有三维成像的优势，这将会是未来超声相控阵换能器的发展方向。
　　由于二维面阵探头还处于实验室研究的阶段，而作为一维线阵探头向二维面阵探头的过渡，一种被称为分数维的探头已经开始在一些高端的超声诊断仪中使用。分数维探头在长度方向上按传统方法被切割成致密的小阵元，而在宽度方向上则被切割成有限的几排；按宽度方向不同的聚焦功能，可分为1.25维、1.5维和1.75维，由于其阵元数成倍增加，对阵元连线等一系列加工工艺提出了更高的要求。
　　3. 双线型阵：
　　双线型阵的发射和接收声束分开，消除了幻影回波，无近场区的影响和明显的盲区，具有良好的近表面检测能力，并可通过连续的深度聚焦来增加整体的聚焦深度，且在所有深度范围内能保持最佳的侧向分辨力，可用于晶粒粗大的不锈钢工件的检测；此外，其压电晶片的高阻尼特性还提高了轴向分辨力和信噪比。
　　凹面阵多用于管道的外检测，因其能很好地匹配相同曲率管子的外径，并且其阵列的排列方式有物理聚焦的特点，声束比平面阵列更加容易汇聚。凸面阵能很好地匹配相同曲率管子的内径，但在阵列凸面排列的状态下，声场旁瓣十分明显，特别是小径管中的聚焦声场更容易向空间扩散；凸面阵多用于医学B超超声诊断领域。在工业方面，国内已有部分学者对凸面阵探头进行了开发应用，但总体研究并不多。
　　PART 03 不同用途的相控阵探头
　　除了阵列排布方式、延时法则之外，超声相控阵探头的检测能力还与探头盲区大小、中心频率、发射脉冲宽度、楔块的选择、耦合介质、试件表面平整度等因素有关。因此，针对一些特殊的检测对象，调整其中的某些因素，便可以获得不同用途的超声相控阵探头。
　　1. 近壁探头
　　该类探头的两端具有较短的盲区，如Olympus生产的近壁探头第一晶片的中心和最后晶片的中心到与其最近的探头外壳边缘的距离仅1.5mm，非常适用于复合材料的C扫描检测，对复合材料的分层、脱胶和多孔性等缺陷有较高的检出率。此外，其还可用于薄板、薄管等小型工件的检测。
　　2. 小脚印探头
　　小脚印探头封装紧密，阵元数目较少(一般不超过16个)，可进入到活动空间狭窄的区域进行检测，如Olympus生产的A00探头的脚印尺寸(长×宽)仅为8mm×8mm。
　　3. 液浸探头
　　液浸探头是相控阵探头部分或全部浸入液体中使用的。这类探头往往用于刚性楔块无法良好匹配被检测工件表面时的情况。液浸探头最常用的介质为水，目前国内有学者在检测聚乙烯材料时，利用甘油、水、水玻璃、海藻酸钠，按一定的比例配制了特殊用途的耦合介质，该介质的声阻抗与聚乙烯材料相似度达95％以上，检测时声波在界面上的反射率较小，可以称得上是最理想的耦合液。
　　4. 双晶线性阵列探头
　　该探头采用双晶线性阵列的结构设计，相当于内置两个相控阵线阵探头，一个发射声波，另一个接收声波，避免了表面检测盲区，提高了信噪比。并且，其通过降低探头的中心频率，采用纵波检测的方式提高超声波的穿透力。该探头不仅可以对不锈钢材料进行检测，还可用于铸件、合金、异种钢焊缝等其他粗晶材料的检测。
　　5. 曲面阵列探头
　　该探头的形状往往呈半圆形，相较于通常的线性阵列探头，还可以进行自然几何聚焦。其可与所有可调节水浸楔块配合使用，常用于复合材料的分层检测中。此外，在碳纤维增强复合材料(CFRP)的圆角部位检测方面，由于该探头的凹面结构可保证声束垂直进入R区，在检测R区时相比其他超声探头有较多优势。
　　6. 柔性相控阵探头
　　超声换能器单元以阵列形式安置于柔性层介质中或表面，而构成柔性超声换能器阵列，因柔性超声换能器阵列能够贴合各种具有不同形状的工件表面，从而提高了检测效率，避免了因表面不规则引起声束扭曲、灵敏度下降等问题发生。
　　柔性相控阵探头可分为一维柔性相控阵探头和二维柔性相控阵探头。一维柔性相控阵探头通过机械装置将探头内各个晶片压在工件表面，利用工件轮廓测量仪测出表面形状，随后根据计算机对该轮廓的延时律算法进行实时处理；二维柔性相控阵探头是在二维矩阵的表面涂抹一层柔软的弹性树脂，弹性树脂能与工件表面紧密贴合，从而实现三维成像。
　　柔性相控阵探头主要应用于轮廓不规则工件的检测中，如航天航空领域飞机机翼和机身复合板，承压设备领域压力管道的内外壁、弯头、三通等的检测。但是，柔性相控阵探头的阻尼片较薄，探头的频带很窄，具有较大的表面盲区，这是柔性相控阵探头的局限性。因此，其比较适宜大厚度工件的检测。
　　7. 轮式探头
　　轮式探头利用橡胶轮胎的滚动来实现快速直观的检测，多应用于管道腐蚀、复合材料、铁路轨道以及航空航天领域表面光滑板材的检测中。探头由宽度适当的橡胶材料制成，橡胶轮胎内充满水，超声波按照水层-橡胶-工件的路径进行传播。C扫成像时，应该将闸门套在水-橡胶界面波外，以免界面波和缺陷波的混淆。
　　PART 04 国外相控阵探头研发应用情况
　　目前世界上对相控阵技术的研究与应用较为深入的国家有加拿大、法国、英国、美国等。
　　1959年，TOM B开发出第一个环形换能器系统并申请了专利。
　　20世纪70年代开始，相控阵首先在医学领域用于人体组织成像。
　　20世纪80年代，国外学者研制出第一台工业探伤用的相控阵检测仪器，主要用于检测核电站的相关零部件。
　　2000年以来，相控阵技术不断应用于航空航天、铁路、复合材料、特种设备等各行各业。
　　近年来，英国的ALANJH等提出了自动聚焦成像算法，利用一维柔性相控阵探头实现了在未知轮廓曲面上的点状缺陷的检测，但其仅在理想条件下对点状缺陷进行了测试，且图像质量易受底波干扰。
　　法国的DOBIGNY等研发了二维柔性相控阵探头和关节机器人技术的自动检测设备，该设备利用柔性换能器的型面适应性和超声相控阵技术的声束可控性实现核设施大型复杂构件的自动扫描检测。
　　WALTER等研制出一种基于PMN-PT(铁电单晶)复合材料的超声相控阵换能器，与PZT(锆碳酸铅)相控阵换能器相比具有更高的灵敏度和更宽的频带范围。
　　DEVOS等研制出一种半柔性的矩阵阵列超声换能器，以提高新一代核电站大型整体转轴锻件各类缺陷的检出率、可靠性和检测效率。
　　SONG等利用PAULI系统对核电站涡轮机叶根试块进行检测，获得了较高的缺陷检出率，但难以区分缺陷类别。
　　PART 0 内相控阵探头研发应用情况
　　国内相控阵技术起步较晚，与国外相比还存在一定的差距。近年来，国内学者对相控阵技术进行了大量的研究与应用。
　　晓将相控阵技术应用到火车车轮的检测上，提出了车轮在线超声相控阵检测的方案，研究了提高缺陷检出率的方法。
　　杨平等推导出了二维面阵列设计的一般准则，并利用设计的8×8二维阵列实现了相控阵三维体数据的扫描和显示。
　　万国宾等建立了一种适用于曲面有限阵列结构辐射与散射特性分析的迭代方法，该方法不受阵面曲率变化、单元数量和分布情况的限制，对有限周期和非周期阵列的分析都有着较高的计算效率和稳定性。
　　李鹏频、宋波乔等利用双晶聚焦纵波相控阵探头对双相不锈钢管线和T型不锈钢焊缝进行了检测，在缺陷的定位、定性和定量的准确性上具有一定的优势，且具有操作方便、安全性高和检测快捷等特点。
　　张碧星等开展了凹面线性相控阵列辐射声场在液固界面上的反射和折射特性研究，发现凹面线阵声场在液固圆柱界面下比液固平界面具有更好的聚焦效果。
　　郭伟灿等研发了512大阵元数的双层结构的圆环形探头，该凸面超声相控阵探头置于管状设备的内部并通过充水耦合，实现了腐蚀和埋藏缺陷的自动化扫查。
　　杨天文等在理论推导圆形活塞换能器阵的三维指向性计算公式的基础上，对阵元分别为4×6阵列、5×5-1阵列、3×8阵列、2×12阵列的指向性进行了分析，并得到了阵列三维指向性的差异。
　　PART 06 行业展望
　　近年来，从相控阵检测技术相关的考核培训、标准制定以及行业应用方面来看，我国已制定了一部国家标准GB/T 29302-2012《无损检测仪器 相控阵超声检测系统的性能与检验》。中国特检院出版了一部企业标准Q/CSEI 01-2013《钢制承压设备焊接接头相控阵超声检测》，这是国内特种设备行业第一个相控阵超声检测标准。国内其他有关相控阵的行业标准还在制定阶段。
　　在国际上，国际标准化组织(ISO)已经正式出版了关于焊缝检测的方法标准ISO 13588:2012《焊缝无损检测 超声检测 利用自动/半自动相控阵技术》，该标准应属于现有最为先进的相控阵检测方法标准。
　　早在2011年底，中国船级社和英国焊接协会已在北京成功举办了相控阵技术二级培训班。2011年1月，API(美国石油学会)推出了超声相控阵检测认证考试，这个考试是基于手工超声相控阵检测进行的。
　　在行业应用方面，相控阵技术在船舶海工行业中已得到业主和监造方的大力推荐并开始使用，比如烟台来福士的＂蓝鲸1＃＂项目在2015年已开始运用相控阵技术检测管对接焊缝。上海外高桥在建的＂集装箱＂船体检测已运用超声相控阵和超声波衍射时差法检测技术。随着标准、规范的不断推出,相关培训、人员考核制度的不断完善，相控阵技术一定会得到越来越广泛的应用。
　　从技术开发层面而言，当今相控阵的前沿技术是专用相控阵探头的开发。根据被检设备的材料、形状等特点，设计制作与之相适应的专用相控阵探头，再开发自动化的扫查装置以及相控阵检测仪，将这些技术结合起来就能将相控阵的作用发挥到最大。
　　此外，随着计算机技术、信号处理技术、微电子技术等的快速发展，将会不断开发出多阵元、多通道的相控阵技术。